Rabu, 05 Agustus 2009

kapita selekta polimer

Fabrikasi Material Nanokomposit Superkuat, Ringan dan Transparan MenggunakanMetode Simple Mixing

Abstrak
Perkembangan sains dan teknologi pada bidang material saat ini telah mengindikasikan dua kandidat yang berpotensi sebagai material superkuat yaitu spider silk dan material berbasiskan nanoteknologi. Material superkuat dapat dibuat dari campuran polimer epoxy-resin dengan nanopartikel SiO2 (Silicon Dioxide). Keberadaan polimer sebagai perekat nanopartikel dan kritalinitas nanopartikel yang tinggi (dalam bentuk padatan) membentuk polimer-nanokomposit yang menghasilkan kombinasi kekuatan, fleksibelitas, dan kekakuan yang lebih baik dibandingkan material superkuat yang ada sekarang. Keuntungan dari pembuatan material superkuat dengan epoxy resin dan nanopartikel SiO2 ini yaitu kuat, ringan, murah,dan proses produksi yang simpel. Di samping itu bahan dasar material superkuat polimer-nanokomposit mudah didapatkan.
Kata kunci: epoxy resin, nanokomposit, polimerisasi



BAB I
PENDAHULUAN

1. Pendahuluan
Bidang material nanokomposit akhir-akhir ini mendapatkan perhatian yang serius dari para ilmuwan. Berbagai penelitian yang dilakukan dengan sangat cermatcterus menerus dilakukan. Penelitian dilakukan berdasar pada pemikiran/ide yang sangat sederhana, yaitu menyusun sebuah material yang terdiri atas blok-blok partikel homogen dengan ukuran nanometer. Hasil penelitian tersebut sungguh mengejutkan. Sebuah material baru lahir dengan sifat-sifat fisis yang jauh lebih baik dari material penyusunnya. Hal ini memicu perkembangan material nanokomposit di segala bidang dengan memanfaatkan ide yang sangat sederhana tersebut. Salah satu contoh yang sangat terkenal (terjadi dengan sendirinya di alam) adalah tulang. Tulang memiliki ‘bangunan’ nanokomposit yang bertingkat-tingkat yang terbuat dari tablet keramik dan ikatan-ikatan organik. Partikel-partikel nanokomposit tersebut memiliki struktur, komposisi dan sifat yang berbeda-beda. Hal ini memberikan fungsi yang beragam. Dengan demikian material tersebut dapat menjadi multiguna. Sehingga pada akhirnya didapatkan material baru yang memiliki beberapa fungsi dalam waktu yang sama dan dapat digunakan pada beberapa aplikasi. Dari sinilah para ilmuwan mulai memikirkan berbagai cara untuk mendapatkan material nanokomposit, karena material tersebut memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan material konvensional. Penemuan material baru ini tidak secara mendadak dan tanpa usaha. Sekitar tahun 1995, Profesor Veprek, memulai menerapkan sebuah konsep rekayasa material baru di bidang material keras yang dinamakan nanokomposit superkeras (sekitar 40-50 GPa). Konsep peningkatan sifat fisis dan karakteristik material dengan cara membuat nanokomposit multi-fasa (yang terbuat dari beberapa material) sebenarnya bukanlah hal yang baru.

Ide ini telah dipraktikkan sejak peradaban dimulai dan aumat manusia mulai menghasilkan material-material yang efisien dengan fungsi-fungsi tertentu. Hal itu terlihat dari banyaknya peninggalan-peninggalan purbakala yang telah ditemukan saat ini yang sebenarnya adalah material nanokomposit. Sebagai contoh adalah lukisan bangsa Maya, peninggalan purbakala yang terdapat di mesoamerika. Lukisan tersebut ternyata terdiri dari matriks clay yang dicampur dengan molekul colorant (indigo) organik. Selain itu, lukisan tersebut juga mengandung nanopartikel logam yang dibungkus oleh substrat amorf silikat, dengan nanopartikel-oksida berada pada substrat [1]. Nanokomposit dapat dianggap sebagai struktur padat dengan dimensi berskala nanometer yang berulang pada jarak antar-bentuk penyusun struktur yang berbeda. Material-material dengan jenis seperti itu terdiri atas padatan inorganik yang tersusun atas komponen organik. Selain itu, material nanokomposit dapat pula terdiri atas dua atau lebih molekul inorganik/organik dalam beberapa bentuk kombinasi dengan pembatas antar keduanya minimal satu molekul atau memiliki ciri berukuran nano. Contoh nanokomposit yang ekstrim adalah media berporos, koloid, gel, dan kopolimer. Ikatan antar partikel yang terjadi pada material nanokomposit memainkan peranan penting pada peningkatan dan pembatasan sifat material. Partikelpartikel yang berukukuran nano tersebut memiliki luas permukaan interaksi yang tinggi. Semakin banyak partikel yang berinteraksi, semakin kuat pula material. Inilah yang membuat ikatan antar partikel semakin kuat sehingga sifat mekanik material bertambah. Namun, penambahan partikel-partikel nano tidak selamanya akan meningkatkan sifat mekaniknya. Ada batas tertentu dimana saat dilakukan penambahan, kekuatan material justru semakin berkurang. Namun pada umumnya, material nanokomposit menunjukkan perbedaan sifat J. Nano Saintek. Vol. 1 No. 1, Feb 2008 15 mekanik, listrik, optik, elektrokimia, katalis, dan struktur dibandingkan dengan material penyusunnya. Seiring dengan perkembangan zaman, material nanokomposit juga mengalami perkembangan yang cukup pesat. Perkembangan ini tentunya akan mengubah wajah teknologi pada umumnya karena nanoteknologi merambah semua bidang ilmu. Tidak hanya bidang rekayasa material seperti komposit, polimer, keramik, supermagnet, dan lain-lain. Bidang-bidang seperti biologi (terutama genetika dan biologi molekul lainnya), kimia bahan dan rekayasa akan turut maju pesat. Diperkirakan tahun 2010, produk-produk industri dalam skala apa pun akan menggunakan material hasil rekayasa nanoteknologi. Pembuatan atau fabrikasi material nanokomposit dapat dilakukan dengan melakukan pendekatanpendekatan yang mudah dan kompleks. Penelitian yang kami lakukan dalam proses fabrikasi material nanokomposit menggunakan pendekatan yang mudah. Kami menyebut metode ini dengan sebutan simple mixing.



BAB II
KARAKTERISTIK DAN PEMBAHASAN


Penelitian ini secara umum dilakukan dalam dua tahap:

1.Pembuatan (sintesis) material.

Pada tahap ini, dicoba berbagai kombinasi yaitu suhu, komposisi bahan, waktu pemanasan dan lama pengadukan. Awalnya dicoba kombinasi di suhu, waktu pemanasan, dan lama pengadukan, tujuannya untuk mendapat hasil yang transparan. Setelah diperoleh kombinasi yang pas, baru dilakukan kombinasi percobaan lagi di masalah komposisi bahan.

2. Karakteristik material.

Karakterisasi dilakukan untuk mendapatkan parameter-parameter fisis dari polimer nanokomposityang dibuat. Jika polimernanokomposit yang dihasilkan masih jauh dari parameter material superkuat, maka akan dilakukan preparasi sampel lagi. Sintesis Material Metode sintesis yang dilakukan pada penelitian ini adalah metode simple mixing. Polimer epoxy-resin dan epoxy-hardener dicampurkan dengan perbandingan massa 1:1. Kemudian nanopartikel SiO2 dicampurkan kedalam campuran tersebut dengan massa yang bervariasi. Campuran ketiga bahan tersebut kemudian dipanaskan di dalam oven bertemperatur 75 oC selama 12 menit, lalu diaduk dengan mixer hingga campuran menjadi homogen. Pemanasan dilakukan untuk menghilangkan pelarut sehingga didapatkan polimer-nanokomposit dalam bentuk padatan. Diharapkan polimer-nanokomposit yang dihasilkan memiliki karakterisasi sebagai materialsuperkuat.

2.1 Karakterisasi

Karakterisasi material yang dilakukan bertujuan untuk mendapatkan parameter-parameter fisis dari polimer-nanokomposit yang dibuat. Adapun proses karakterisasi material pada penelitian ini mencakup uji kekuatan material (uji tekan) dan uji spectrometer inframerah (Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FT-IR). Uji tekan dilakukan untuk megetahui parameter kekuatan material. Sedangkan uji spectrometer inframerah dilakukan untuk mengontrol kualitas produk J. Nano Saintek. Vol. 1 No. 1, Feb 2008 18 dan bahan baku dengan cara membandingkan hasilnya dengan spektrum standarnya. Untuk dapat melakukan interpretasi terhadap suatu spektra IR, diperlukan tabel korelasi dari pita-pita absorpsi dari spektra senyawa yang tidak diketahui dengan frekuensi absorpsi dari ikatan-ikatan yang diketahui. Tabel ini akan membantu untuk identifikasi sumber dari suatu pita absorpsi seperti intensitas (lemah, sedang atau kuat), bentuk pita (lebar atau tajam), dan posisi (dalam satuan cm-1) dalam spektra.

2.2 HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil yang didapatkan berupa material polimernanokomposit kuat dan transparan, sepertI ditunjukkan oleh Gbr berikut:








Transparansi dari material tersebut sudah cukup baik. Pada material juga masih terdapat gelembung. Adanya gelembung pada material berpengaruh pada kekuatan material.

Uji Tekan
Proses karakterisasi material nanokomposit ini dilakukan dengan menguji ketahan material.
kekuatan material semakin bertambah seiring dengan penambahan jumlah SiO2 pada campurannya. Namun, peningkatan ini hanya sampai nilai tertentu, dimana penambahan lebih lanjut jumlah SiO2 justru menurunkan kekuatan material. Titik tertinggi yang diperoleh dalam eksperimen sebesar 1682,5 kg/cm2, yaitu pada fraksi SiO2 sebesar 0,0087. Hasil eksperimen ini menunjukkan peningkatan kekuatan material sampai dengan 24% dibanding polimer yang tanpa penambahan nanopartikel.
Peningkatan kekuatan mekanik material ini, terjadi akibat penambahan nanopartikel SiO2 pada epoxy resin. Permukaan nanopartikel yang sangat luas berinteraksi dengan rantai polimer sehingga mereduksi mobilitas rantai polimer . Interaksi ini meningkatkan kekuatan mekanik komposisit tersebut jauh di atas kekuatan polimer itu sendiri. Hasil yang dapat dicapai adalah material yang ringan dengan kekuatan tinggi. Semakin banyak jumlah SiO2 yang dimasukkan, kekuatan dari material nanokomposit juga bertambah sampai titik kritisnya.








gambar polimer dengan penambahan nanopartikel.

Uji FT-IR

Uji FT-IR hanya dilakukan pada material yang tidak mengandung nanopartikel silika dengan material yang ditambahkan silika sebanyak 0,1024 g dan 0,1609 g. Hasil yang didapatkan dari uji FT-IR pada material. Data yang didapatkan dari uji FTIR ini kemudian diinterpretasikan dengan menggunakan tabel korelasi kemudian dilakukan perbandingan antara ketiganya.
Perbedaan antara material resin yang tidak mengandung nanopartikel dengan material nanokomposit yang mengandung nanopartikel SiO2. Untuk resin murni, terdapat ikatan C-H dengan sifat vibrasinya uluran (stretch), uluran C-C, uluran asimetri NO2, dan uluran C-O yang tidak terdapat pada material nanokomposit. Sementara pada material nanokomposit terdapat guntingan dan tekukan C-H, dan ikatan SiO2 yang tidak terdapat pada material tanpa perlakuan. Maka dapat ditarik kesimpulan bahwa penambahan SiO2 pada polimer mempengaruhi jenis ikatan dan vibrasi yang terjadi. Pada bahan pertama terdapat enam jenis ikatan, yaitu O-H, C-H, C-C, C=O, NO2 dan C-O. Untuk bahan uji kedua, terdapat lima jenis ikatan yaitu O-H, C=O, NO2 dan C-H, serta ikatan baru yaitu SiO2. Pada bahan uji ketiga, terdapat lima jenis ikatan yaitu O-H, C=O, NO2, C-H, dan ikatan SiO2. Penentuan gugus SiO2 ini ditentukan dari grafik, dimana cirinya yaitu adanya suatu puncak yang tinggi dengan lebar celah yang besar. Adanya absorpsi gugus O-H antara 3200-3600 cm-1 menunjukkan adanya alkohol. Absorpsi gugus C-O antara 1260-1000 cm-1 yang terdapat pada bahan umumnya berkaitan dengan munculnya puncak O-H dan N-H dan juga berkaitan dengan asam karboksilat, ester, ather, alkohol dan anhidrida. Adanya gugus C-H antara 2960- 2850 cm-1 disebabkan oleh adanya hydrogen aliphatic.

Sementara itu, adanya gugus C-C antara 2260-2100 cm-1 berkaitan dengan adanya Alkyne. Adanya gugus NO2 akibat munculnya senyawa Nitrogen. Terakhir untuk gugus C=O antara 1760-1670 cm-1, menunjukkan adanya aldehid, keton, asam karboksilat, ester, amida, anhydride, atau asil halida.





Gambar (a) Tanpa nanopartikel SiO2 , (b) Penambahan 0,1024 g nanopartikel SiO2, dan (c) Penambahan 0,1609 g nanopartikel SiO2.




BAB III
Kesimpulan dan Saran

Penambahan Silikon Dioksida (SiO2) pada polimer epoxy resin dengan variasi komposisi bahan, waktu dan suhu, telah berhasil menambah kekuatan polimer tersebut. Peningkatan kekuatan mekanik material sebesar 24% dibandingkan dengan material tanpa penmabahan nanopartikel, ini terjadi pada penambahan fraksi massa SiO2 sebesar 0,0087. Ini menunjukkan bahwa penambahan SiO2 pada polimer epoxy resin berpengaruh pada kekuatan polimer. Pengaruh ini timbul karena luas permukaan nanopartikel yang sangat besar berinteraksi dengan rantai polimer sehingga mereduksi mobilitas rantai polimer. Interaksi ini meningkatkan kekuatan mekanik komposisit tersebut jauh di atas kekuatan polimer itu sendiri. Hasil yang bisa dicapai adalah material yang ringan dengan kekuatan tinggi. Semakin banyak jumlah SiO2 yang dimasukkan, kekuatan dari material nanokomposit juga bertambah. Tapi peningkatan sifat mekanik (sebagai efek dari penambahan SiO2) ini tidak terjadi terus-menerus. Kekuatan mekanik material akan sampai pada titik kritisnya kemudian turun. Gelembung pada material nanokomposit membuat kekuatan nanokomposit ini kurang maksimal. Adanya gelembung pada nanokomposit ini terjadi akibat kontak dengan lingkungan terutama pada saat pengadukan menggunakan mixer. Uji tekan pada material nanokomposit berfungsi untuk melihat perubahan kekuatan yang timbul akibat penambahan nanopartikel SiO2 pada polimer. Semakin banyak penambahan SiO2 pada polimer, kekuatannya juga ikut bertambah. Tetapi pada titik tertentu, kekuatan polimer ini turun. Penurunan ini timbul karena kadar SiO2 pada polimer sudah jenuh sehingga kristalinitasnya berkurang. Karakterisasi FT-IR berguna untuk menentukan jenis ikatan apa saja yang ada pada material nanokomposit tersebut. Pada karakterisasi FT-IR yang sudah dilakukan didapat bahwa material tanpa perlakuan memiliki enam jenis ikatan, yaitu O-H, C-H, C-C, C=O, NO2, dan C-O. Lalu pada material dengan penambahan SiO2, terdapat lima jenis ikatan yaitu O-H, C=O, NO2 dan C-H, serta ikatan baru yaitu SiO2. Perbedaan yang timbul antara material tanpa perlakuan dan dengan perlakuan menunjukkan bahwa penambahan SiO2 memberikan perubahan pada jenis ikatan yang terjadi pada nanokomposit. Dari hasil penelitian yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa penambahan SiO2 pada polimer Epoxy Resin berpengaruh akan kekuatan polimer tersebut. Dan penelitian ini membuka peluang untuk mendapatkan material superkuat baru.



Daftar Pustaka
[1] Ajayan P.M., Schadler L.S., Braun P.V, Nanocomposite Science and Technology, Willey (2003).
[2] CERAM Research Ltd, Silica, Silicon Dioxide,(http://www.azom.com/Details.asp?ArticleI D=1114).
[3] M. Abdullah, Pros. Simp. Mahasiswa Fisika Nasional, Surabaya (2005).

2 komentar:

  1. wah mba menarik bgt ni nanokomposit...
    aq jg dr fisika
    slm kenal,rye...

    BalasHapus